【鈣鈦礦型氧化物的探究進展綜述6700字（論文）】

8鈣鈦礦型氧化物的研究進展綜述摘要近年來我國對于鈣鈦礦型材料的研究頗為盛行，查閱相關資料可以知道鈣鈦礦型材料的化學通式為ABO3，具有穩(wěn)定的晶體結構，由于A位離子和B位離子都可以被半徑相近的其他金屬離子取代或者根據(jù)化學計量式進行摻雜，故而表現(xiàn)出復雜而獨特的性質。雙鈣鈦礦型材料與普通ABO3型鈣鈦礦材料相比，除摻雜其他元素會引起材料性質改變之外，由于B位離子排布的無序性也會使其性質表現(xiàn)得更為復雜多樣，因此也引起了研究人員的廣泛興趣。國內外研究人員已經對鈣鈦礦型材料及雙鈣鈦礦型材料進行了多年細致深入的研究并將研究成果發(fā)表于各大期刊，本文通過閱讀相關文獻，綜述總結了鈣鈦礦型材料及雙鈣鈦礦型材料的優(yōu)勢、不足之處、應用及應用前景。關鍵詞：鈣鈦礦;雙鈣鈦礦;摻雜;研究進展;應用前景目錄引言------------------------------------------------------------------------------41.相關概念界定11.1鈣鈦礦型材料21.2雙鈣鈦礦型材料32.鈣鈦礦型材料的研究歷史43.鈣鈦礦型材料的優(yōu)勢、應用前景53.1鈣鈦礦型材料的優(yōu)勢63.2鈣鈦礦型材料的應用前景3.2.1鈣鈦礦型材料在催化方面的應用前景3.2.2鈣鈦礦型材料在光電方面的應用前景3.3.3鈣鈦礦型材料在太陽能電池中的應用前景4.雙鈣鈦礦型材料的優(yōu)勢、應用前景4.1雙鈣鈦礦型材料的優(yōu)勢4.2雙鈣鈦礦型材料在催化技術中的應用前景總結參考文獻引言鈣鈦礦是一種容易制備、方便改性、效率還比較高的新型材料，自1839年到目前為止，眾多科研人士致力于對這種材料的研究，而雙鈣鈦礦型材料作為鈣鈦礦型材料的一個重要分支，其各種優(yōu)越于其他普通材料的性質同樣值得我們去探索，本文針對鈣鈦礦型材料的研究歷史、目前的主要應用、這種材料被應用的優(yōu)勢及存在的問題、這種材料的分支之一雙鈣鈦礦型材料相較鈣鈦礦型材料的優(yōu)勢所在、不足之處、應用前景等進行歸納總結；鈣鈦礦型材料的結構通式為：AB03，A位為有機陽離子，B位為金屬離子，雙鈣鈦礦型材料的結構通式為：A2B’B’’O6，A位離子通常為堿金屬離子，B位離子通常為過渡族金屬或鑭系金屬離子，其中B位離子因其制備條件的不同會有不同的排布情況，而雙鈣鈦礦型材料其性質又與B位離子的排布有關，因此即便是同樣的氧化物，因其制備條件的不同也會使得雙鈣鈦礦型材料表現(xiàn)出不同的性質。1.相關概念界定1.1鈣鈦礦型材料鈣鈦礦型材料是氧化陶瓷物質中的一種材料，它是鈣鈦礦石中含鈦酸鈣的一種材料，由于這種材料在結構上具有許多特性，所以在凝聚態(tài)物理學中對這種材料的研究和應用是非常普遍的。這種材料的分子通式一般為ABO3，結構多為立方晶體結構，構成鈣鈦礦型材料的A位正離子通常是稀土和堿土等半徑較大的離子，因為半徑較大的離子通常具有穩(wěn)定鈣鈦礦結構的作用；構成鈣鈦礦型材料的B位正離子通常具有較大的離子半徑，由于該位置正離子價態(tài)的不穩(wěn)定性，元素之間的內聚力很小，因此這樣的離子通常會決定鈣鈦礦型材料的結構狀態(tài)；鈣鈦礦型材料由于具有穩(wěn)定的分子結構、獨特的磁感應特性和較高的氧化還原反應能力、氫解、異構化、電催化等特殊性質，因此從理論上講鈣鈦礦是一種新型并且具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ睦硐牖牧稀?.2雙鈣鈦礦型材料雙鈣鈦礦型材料作為鈣鈦礦型材料的重要分支同樣吸引著眾多科研人士的注意，雙鈣鈦礦型材料是在鈣鈦礦型材料ABO3的基礎上進行命名的，其結構通式為A2B＇B＇＇O6，雙鈣鈦礦型材料的晶體結構同鈣鈦礦型材料的晶體結構一樣也是立方結構。雙鈣鈦礦型材料的很多性質如巨磁阻效應、巨介電性、磁學性質（順磁性、鐵磁性、反鐵磁性、抗磁性）、電學性質（鐵電性、反鐵電性、壓電性、熱釋電性、超導性）、催化性質等決定了這種材料的應用方向及應用前景，而目前對于雙鈣鈦礦型材料的應用研究主要集中在光催化技術中，本文通過對相關文獻的閱讀針對雙鈣鈦礦型材料在光催化技術中的應用前景目前所體現(xiàn)出來的優(yōu)勢、存在的不足等進行了歸納總結。2.鈣鈦礦型材料的研究歷史近年來，鈣鈦礦型材料的研究引起了熱潮，大量的文獻對該材料的研究進行綜述，但很少有文獻專門回顧該鈦礦型材料的發(fā)展歷史，因此本文將首先列出歷史上與鈣鈦礦型材料相關的一些標志性發(fā)現(xiàn)及科學研究的成果：1839年，德國科學家GustavRose在一次考察中發(fā)現(xiàn)了CaTiO。1892年，美國科學家H.L.Wells首次基于CsPbX3生成了鈣鈦礦這種化學物質。1947年和1955年，西班牙生物學家飛利浦和美國大學WesternElectric將氧屬族的鈣鈦礦用于機電工程傳感器。1957年，荷蘭生物學家C.K.M?ller闡明了生物學家H.L.Wells制備出的CsPbX3鈣鈦礦這種物質的結構。同年，德國科學家西門子將氧屬族鈣鈦礦用于電阻器；電阻器是一種電流限流組件，電阻器連接到電路后，電阻器的電阻值是固定的，可以對所連接環(huán)路的電流大小加以限制，電阻大小通常與溫度、材料、長度及截面積有關，電阻的關鍵物理特征是它可以將電磁能轉化為其他的能量，因此它是一個耗能的組件，但是目前的研究對電阻器能耗這種缺陷已經改善了很多。1962年，加拿大生物學家林格（A.E.Ringwood）明確提出地球的淺層核心由MgSiO3鈣鈦礦組成。1964年，荷蘭生物學家CompagnieGeneraled'Electricité使用鈣鈦礦固體電級用作在燃料電池中；將鈣鈦礦型材料用于燃料電池后，因為鈣鈦礦型材料其結構的穩(wěn)定性、高的電導率、合適的熱膨脹系數(shù)、高的氧表面交換系數(shù)以及優(yōu)越的催化活性等優(yōu)點使得燃料電池的性能有了很大的改善。1971年，美國科學家?？松梨谘芯抗こ坦荆‥xxonResearchEngineering）開發(fā)了一種基于鈣鈦礦陰極的電催化裝置，該裝置可將醇類轉化為酮類。1975年，日本生物學家日立（Hitachi）設計了一種基于鈣鈦礦型材料的氣體傳感器；氣體傳感器是一種轉換器，可將某種類型的蒸氣其摩爾分數(shù)轉換為匹配的電子信號；在現(xiàn)階段，我國常見的氣體傳感器包括催化燃燒裝置氣體傳感器，半導體材料氣體傳感器和光催化氣體傳感器，導熱池式氣體傳感器，磁氧傳感器，紅外感應氣體傳感器等。1978年，德國科學家D.Weber首次制備了可形成有機無機雜化的鈣鈦礦。1979年，日本生物學家NGKInsulators發(fā)布了一種基于鈦酸鋇BaTiO3的蜂窩結構型物質；鈦酸鋇是一種強介電化合物的材料，具有高介電常數(shù)和低介電損耗的性質，在電子陶瓷中的使用很廣泛；鈦酸鋇在130℃-1460℃之間會轉變?yōu)榱⒎解}鈦礦型結構；將鈦酸鋇用于加熱元件可以改變物質的居里溫度。1981年，美國科學家GTE在實驗室開發(fā)了一種基于鈣鈦礦晶體的激光器。1988年，英國科學家FerrantiPlc（英國奧爾德姆）預言了基于鈣鈦礦結構的超導體未來的發(fā)展趨勢。同年，日本生物學家夏普（Sharp）基于稀土與鈣鈦礦混合的結構，開發(fā)了一種用于火力發(fā)電的轉換材料；熱電轉化材料是一種可以隨著溫度的改變其參數(shù)也會發(fā)生相應變化的材料，如電阻、電勢差等；熱電轉化材料的優(yōu)勢是可以將工業(yè)產生的廢熱很好地進行利用，避免了能量的浪費。1994年，美國科學家IBMCorporationD.B.Mitzi等人通過有機無機雜化形成的鈣鈦礦來制備LED組件。1996年，美國波音公司推出了具有鈣鈦礦結構的銫鍺鹵化物，作為光電子學的非線性光學晶體；非線性光學晶體是一種可以對激光強電場進行二次以上顯示的非線性光學效應的晶體，可以對激光束進行調制、調幅、調偏、調相，其在激光技術等領域有著十分重要的應用價值。1999年，日本生物學家MuraseChikao將鈣鈦礦型材料的稀土氧化物結構這種材料用作太陽能電池的光吸收涂層。將鈣鈦礦型材料的稀土氧化物結構這種材料作為太陽能電池的光吸收涂層后，太陽能電池的吸光性能得到了很大的改善，目前我國關于鈣鈦礦型材料的稀土氧化物結構這種材料作為太陽能電池的光吸收涂層的研究已經使得太陽能電池的光電轉化效率超過了22%。自2000年以來，尤其是自2012年以來，在改進了鈣鈦礦型材料在太陽能電池中的使用之后，爆炸性的科學研究成果逐漸出現(xiàn)。3.鈣鈦礦型材料的優(yōu)勢、應用前景3.1鈣鈦礦型材料的優(yōu)勢目前我國對于鈣鈦礦型材料的研究及應用主要集中于對催化技術、光伏技術等的研究上，其中光伏技術中應用最廣泛的就是太陽能電池了，鈣鈦礦太陽能電池是一種由有機化合物和無機化合物組合而成的新型太陽能電池，其原理是將太陽能轉化為電能；與傳統(tǒng)的硅晶太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池的成本比較低、相對來說更好制作并且鈣鈦礦材料的柔韌性相對來說較好，但是鋰電池和超級電容器等傳統(tǒng)產品是剛性的，在彎曲和拉伸時很容易損害光電、催化等特性，甚至可能會引起短路從而使得安全問題得不到保障，因此為了解決這個問題，下一代有關電子方面的設備其發(fā)展就需要考慮到柔韌性，而太陽能電池的柔韌性主要取決于基板，柔性太陽能電池的基板通常分為以下兩類：塑料和金屬材料，塑料基板材料主要是PEN、PET等，而金屬基板材料主要是鈦、銅、不銹鋼板和箔等；塑料基板成本低、彎曲性能好、透光率高、化學穩(wěn)定性好，但是塑料基板的主要問題是其有限的加工公差溫度，這就限制了所有加工過程時的操作溫度，在較高的溫度下，塑料基板會發(fā)生變形、板材的電阻會增加；而金屬基板則避免了塑料基板存在的這些缺點，其良好的熱穩(wěn)定性、電荷導電性和良好的耐腐蝕性使得太陽能電池性能有了很大的提升；因為鈣鈦礦太陽能電池的效率已經顯著的高于傳統(tǒng)的硅晶太陽能電池，我國眾多科研人士想要鈣鈦礦太陽能電池能在短時間內達到25%的轉化效率，以目前研究形勢來看，想要實現(xiàn)25%的轉化效率指日可待。3.2鈣鈦礦型材料的應用前景3.2.1鈣鈦礦型材料在催化方面的應用前景因為鈣鈦礦型的材料其結構多為立方體或者八面體，由于這種結構的獨特性，鈣鈦礦型材料在高溫催化反應和氧化催化方面具有潛在的應用前景。但是在現(xiàn)階段，我國關于鈣鈦礦型材料的研究重點是對材料結構的研究，也正是因為鈣鈦礦型材料結構的這種特殊性使得其在催化方面的應用十分廣泛；比如說我國長期以來使用的催化劑都是以貴金屬作為主要的活性組分，并且我國多年來把這種舊式的催化劑認為是凈化汽車尾氣的最有效的一種催化劑，但是由于貴金屬資源短缺、價格昂貴、易揮發(fā)等不利因素使得這種由貴金屬組成的催化劑在能源、價格、熱穩(wěn)定性等方面并不占太多的優(yōu)勢，所以眾多科研人士一直致力于尋找一種具有高凈化效率、低價、穩(wěn)定但不含有貴金屬的新型材料作為催化劑，而鈣鈦礦型材料這種新型的材料具有低價、高效、組分靈活等優(yōu)勢，這就使得這種以鈣鈦礦為主要材料的新型催化劑其催化性能在一定程度上實現(xiàn)了提升；同時也正是由于鈣鈦礦型材料的組成及結構的靈活多變性,使得鈣鈦礦型材料目前在我國被看成是固態(tài)化學、物理學、催化等基礎領域的新型樣板材料。3.2.2鈣鈦礦型材料在光電方面的應用前景有著很好光電性質的鈣鈦礦型材料引起了眾多科研人士的關注，鈣鈦礦型材料在光電方面的應用包括太陽能電池、發(fā)光二極管、激光器、光電探測器等；鈣鈦礦型材料最早是在鈣鈦礦礦石中的鈦酸鈣中發(fā)現(xiàn)的，隨著科學研究的不斷進步專家們發(fā)現(xiàn)可以用其他元素代替鈣鈦礦型材料中的某些元素，因此為了改善這些材料的物理性能，科研人士們通過摻雜、替換元素等獲得了一系列具有鈣鈦礦晶體結構的有機化學金屬材料，并且將這些氧化物用于太陽能電池、發(fā)光二極管、激光器、光電探測器等中。3.2.3鈣鈦礦型材料在太陽能電池中的應用前景2009年，由鈣鈦礦型材料制成的太陽能電池的太陽能轉換率為3.8％。2014年，鈣鈦礦型材料制成的太陽能電池的太陽能轉換率為19.3％，與傳統(tǒng)的晶體硅電池相比，能耗水平超過了20％，根據(jù)目前的科學研究，這種材料的特性仍將會持續(xù)得到較大的改善；與傳統(tǒng)技術采用的結晶硅相比，鈣鈦礦作為原材料會便宜很多，并且可以將其涂在夾層玻璃上，而不必在潔凈室中組裝，因此將鈣鈦礦型材料用于太陽能電池會有很好的應用前景；鈣鈦礦型材料在太陽能電池層面的應用不僅在轉換效率方面具有明顯的優(yōu)勢，其加工工藝也相對簡單，鈣鈦礦型太陽能電池更具成本效益且更易于制造，很有可能改變所有太陽能電池將來發(fā)展的布局甚至未來其發(fā)電成本可能會遠低于火力發(fā)電的成本，因此鈣鈦礦型材料在太陽能電池中的應用會有廣闊的市場前景；鈣鈦礦太陽能電池還具有與硅太陽能電池板緊密集成的潛力，可以生產出效率高達30％甚至更高的串聯(lián)可充電電池，其發(fā)展趨勢是進一步改善理論基礎研究、控制成本、提高轉換效率和可靠性、改進實驗方案和可充電電池結構以及促進其現(xiàn)代化等，但是鈣鈦礦太陽能電池的未來發(fā)展趨勢仍然在多個層面上面臨著以下的問題和挑戰(zhàn)：1.超低溫制備和多孔結構支撐框架的柔性生產；2.設計廉價、穩(wěn)定、環(huán)保的全光光譜儀和吸收鈣鈦礦材料的方案和開發(fā)的設計等；3.適用于工業(yè)生產的可再充電電池的制造及加工技術也是非常必要的，出色的特性和低的成本必將使鈣鈦礦太陽能電池成為硅電池的強大競爭者，在未來新能源的建設中將發(fā)揮關鍵作用。4.雙鈣鈦礦型材料的優(yōu)勢、應用前景4.1雙鈣鈦礦型材料的優(yōu)勢鈣鈦礦型材料是一種容易改性、方便制備、具有豐富性質的新型材料，目前在光催化技術中的應用十分廣泛，但是其缺點如：光吸收效果差、帶隙較大、耐濕性差等使得鈣鈦礦型材料目前還停留于實驗階段，并不能真正意義上的施以應用；為了克服這些缺點，眾多科研人士將注意力集中在了對雙鈣鈦礦型材料的研究上；本部分內容將把這些科研人士們在這些雙鈣鈦礦型材料中做出的研究及貢獻進行總結綜述。4.1雙鈣鈦礦型材料在催化技術中的應用前景光催化是一種可以將太陽能轉化為氫能或者其他的化學能的催化技術，傳統(tǒng)的光催化技術其材料是半導體光催化材料TiO2，該材料雖然光催化活性較好、穩(wěn)定性較高、成本較低、無毒，但是由于其較寬的帶隙使得這種材料用于催化技術中，其接收太陽能量的能力有限，僅僅只有2%-3%，而鈣鈦礦型半導體很好的解決了這個問題，根據(jù)閱讀大量相關文獻可以總結出鈣鈦礦型材料具有的幾個明顯優(yōu)勢分別如下：1.有利的能帶邊緣電位將被大幅提高；2.各種光致反應的反應能力也將得以提高；3.A位和B位離子可以改變能帶的結構以改變光催化接收太陽能量的能力；4.如果將鐵電、壓電等效應用于光催化技術中，可以明顯提高光催化的活性。雙鈣鈦礦型材料具有的幾個明顯優(yōu)勢分別如下：1.帶隙較鈣鈦礦型材料來說明顯窄了很多；2.光吸收的波長范圍較寬；3.成本低。雖然雙鈣鈦礦型材料相較鈣鈦礦型材料其優(yōu)勢很多，目前對于將雙鈣鈦礦型材料應用在光催化技術中還停留在實驗階段并沒有真正的投入到實際的生產應用中去，主要的原因是對于雙鈣鈦礦型材料的研究目前還存在如下問題：1.雙鈣鈦礦型材料的熱穩(wěn)定性較差；2.雙鈣鈦礦型材料的量子產率較低；3.雙鈣鈦礦型材料的光吸收能力還需要進一步提高。即便目前雙鈣鈦礦型材料還有很多問題沒有克服，但是這種材料以目前的研究進展來看仍然會有很好的應用前景，今后對于雙鈣鈦礦型材料的研究方向可能主要為：1.開發(fā)新的雙鈣鈦礦型光催化材料（如：復合、摻雜、處理材料的表面等方法）；2.考慮將鈣鈦礦型材料同其他材料結合來作為光催化材料；3.改變雙鈣鈦礦型材料的結構（如：雙鈣鈦礦氫氧化物、硫族化合物等）；4.改變制作雙鈣鈦礦型材料的方法、過程以節(jié)省成本便于實際應用等?？偨Y在綜述了鈣鈦礦型材料的研究歷史后，緊接著又對鈣鈦礦型材料、雙鈣鈦礦型材料的優(yōu)勢及應用前景等進行了歸納，可以知道鈣鈦礦型材料是一種容易改性、方便制備、具有豐富性質的新型功能型材料，目前在催化、光電、太陽能電池中的應用十分廣泛，但是這種材料同樣也存在很多缺點，如：光吸收效果差、帶隙較大、耐濕性差等，這就使得鈣鈦礦型材料目前還停留于實驗階段，并不能真正意義上的施以應用，而為了克服這些缺點，科研人士們將注意力集中在了對雙鈣鈦礦型材料的研究上，最后研究發(fā)現(xiàn)雙鈣鈦礦這種材料可以很好地克服鈣鈦礦型材料存在的這些問題，本文是將這些科研人士們在鈣鈦礦型材料、雙鈣鈦礦型材料中做出的研究及貢獻進行一個簡單的歸納總結。參考文獻[1]Park,N.G.J.Phys.Chem.Lett.2013,4,2423.[2]Xing,G.;Mathews,N.;Sun,S.;Lim,S.S.;Lam,Y.M.;Gr?tzel,M.;Mhaisalkar,S.;Sum,T.C.Science2013,342,344.[3]Mathew,S.;Yella,A.;Gao,P.;Humphry-Baker,R.;CurchodBasile,F.E.;Ashari-Astani,N.;Tavernelli,I.;Rothlisberger,U.;NazeeruddinMd,K.;Gr?tzel,M.Nat.Chem.2014,6,242.[4]Chuang,C.-H.M.;Brown,P.R.;Bulovi?,V.;Bawendi,M.G.Nat.Mater.2014,13,796.[5]Fan,X.;Wang,F.;Li,X.;Chen,Y.;Lai,W.;Huang,W.Chin.J.Org.Chem.2014,34,2027.(范曉春,王芳,李祥春,陳垚,賴文勇,黃維,有機化學,2014,34,2027.)[6]Stranks,S.D.;Eperon,G.E.;Grancini,G.;Menelaou,C.;Alcocer,M.J.P.;Leijtens,T.;Herz,L.M.;Petrozza,A.;Snaith,H.J.Science2013,342,341.[7]Yang,Z.;Yang,L.;Wu,G.;Wang,M.;Chen,H.ActaChim.Sinica2011,69,627.(楊志勝,楊立功,吳剛,汪茫,陳紅征,化學學報,2011,6[8]池田宏之助．燃料電池のすべて．東京:日本実業(yè)出版社．2001．[9]WachsmanED，LeeK